非充分充填结构面的变形破坏机理及力学模型研究

非充分充填结构面具有复杂的物质组成及构造特征，为解决非充分充填结构面的力学模型无法体现细观力学机理以及随充填度逐渐增大的渐进弱化机制这一基础科学问题，采用模型试验、颗粒流数值模拟以及理论分析相结合的研究手段，全过程观测分析在一定赋存条件和荷载作用下充填物质与壁岩间的复杂相互作用，深入探究非充分充填结构面宏观变形破坏特征的细观力学机理；揭示结构面力学特性随充填度逐渐增大的渐进弱化机制，实现对结构面宏观变形破坏特征随充填度增大发生本质转变的数学描述，构建非充分充填结构面渐进弱化力学模型；基于非线性本构理论，建立本征体现充填物质与壁岩间细观相互作用机理并普适于不同充填度的非充分充填结构面宏观增量本构模型。预期研究成果不但可以为广泛涉及非充分充填结构面的实际工程的应力变形分析和稳定安全评价奠定理论基础，而且可改变现阶段研究侧重于硬性结构面的学术现状，弥补岩体结构面力学理论体系的不足。

岩体结构面在很大程度上控制着工程岩体的稳定安全性，相对于硬性结构面，充填结构面的力学特性更为“软弱”，是控制工程岩体稳定性的首要控制因素。现阶段已有的关于岩体结构面力学特性的研究成果大多针对不含充填物质的硬性结构面，而充填结构面力学特性，尤其是非充分充填结构面力学特性方面的研究较为缺乏，表现在：对于非充分充填结构面宏观变形破坏特征的细观力学机理缺乏研究；对于随充填度的逐渐增大，结构面宏观变形破坏特征发生转变的渐进弱化机制亦缺乏深入研究。针对该现状，项目综合采用物理模型试验、数值模拟及理论分析方法，开展非充分充填结构面的变形破坏机理及力学模型研究。在项目研究开展过程中，取得的主要成果如下：基于异步粒子群优化算法提出了岩体颗粒流数值模型细观力学参数标定的自动优化反演方法，给出了优化反演流程并采用FORTRAN和FISH混合编程技术开发了优化反演程序，实现了参数标定的自动化、快速化与精度可控化；建立了岩体结构面颗粒流数值直剪试验模型，编制直剪试验加载与伺服控制程序，实现了岩体结构面剪切破坏全过程的颗粒流模拟，揭示了结构面宏观变形破坏特征的细观机制；制备了不同充填度的结构面模型试件并开展了系列物理模型直剪试验，编制了充填结构面PFC剪切模型批量自动生成程序并完成了不同充填度结构面剪切试验的系列颗粒流数值模拟，揭示了充填结构面宏观力学特性的渐进弱化机理；提出建立了岩体结构面新型宏观增量本构模型并结合节理单元法对所建立的宏观增量模型进行了数值实现。此外，还提出了复杂初始地应力场的通用精确平衡方法以及岩体力学参数PSO-ABAQUS联合反演法。上述研究成果可在一定程度上弥补岩体结构面力学理论体系的不足，并可为广泛涉及岩体结构面的工程结构分析提供技术支撑。通过项目研究，已产出论文13篇，其中SCI、EI刊源论文8篇，部分研究成果参与申报并获得省部级特等奖一项。